Внешние воздействия воспринимаемые зданием. Механизм сейсмических воздействий на здания и сооружения. Секционные жилые дома
А.Е.Сутягин 2017г
Здания (жилище)
- часть культуры человека. Искусственный артефакт. Появляются вместе с человеком. Элемент очеловечивания природы.
Предназначение здания, как такового - защищать человека, человеческий организм, его здоровье от влияния природы, от влияния внешних природных) факторов. А также создавать пригодную среду обитания невзирая на внешние климатические воздействия.
Любое здание состоит, прежде всего, из конструкций, выполненных из того или иного материала. а также из различного рода инженерных систем предназначенных для комфортной среды и удовлетворении основных физиологических потребностей людей.
Определение понятий - здание и сооружение.
Здание -
предназначено для постоянного пребывания людей.
Сооружение
- не предназначено для постоянного пребывания людей. Необходимо для осуществления специфических технологических задач.
Составные части здания (конструкции).
Фундамент
- передача нагрузки от всего здания на естественное основание (грунт). (“Корень здания”).
Стены
- защита от ветровых и тепловых воздействий.
Каркас
- скелет здания.
Перекрытия
- восприятие нагрузки, от находящихся в здании людей, мебели и оборудования.
Кровля
- защита здания от атмосферных осадков (снег, дождь), солнечных лучей, тепловых воздействий.
Количество видов и типов частей здания настолько разнообразно и сильно зависит от назначения здания. В рамках данной статьи остановимся на основных моментах.
Конструкции здания подразделяются на несущие и ограждающие конструкции.
Несущие конструкции
- воспринимают силовые воздействия от других частей здания и подвижной нагрузки (людей) и передают их на основание (через фундаменты). Параметры несущих конструкций назначаются только на основании специализированных расчетов.
Ограждающие конструкции
(ненесущие) - конструкции предназначенные для защиты людей от внешних факторов и обеспечивающие нормальное функционирования здания согласно назначению здания. Например окна и двери.
Ограждающие конструкции первыми воспринимают силовые воздействия и передают их на несущие конструкции. Четкой градации между этими конструкция провести затруднительно. Обычно в зданиях (особенно в прошлом) те или иные конструкции могут сочетать функции несущих и ограждающих конструкций.
Например, кирпичная кладка много веков - это и защита от тепловых воздействий и хороший несущий элемент.
В индустриальных зданиях стараются разделить эти функции. (Например каркас и сендвич-панели).
Здания и сооружения должны сопротивляться (выдерживать) требуемым нормативными документами нагрузкам и воздействиям.
Статья 7 Федерального закона N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" вводит понятие механической безопасности здания или сооружения, а именно:
"Строительные конструкции и основание здания или сооружения должны обладать такой прочностью и устойчивостью, чтобы в процессе строительства и эксплуатации не возникало угрозы причинения вреда жизни или здоровью людей, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растений в результате:
1) разрушения отдельных несущих строительных конструкций или их частей;
2) разрушения всего здания, сооружения или их части;
3) деформации недопустимой величины строительных конструкций, основания здания или сооружения и геологических массивов прилегающей территории;
4) повреждения части здания или сооружения, сетей инженерно-технического обеспечения или систем инженерно-технического обеспечения в результате деформации, перемещений либо потери устойчивости несущих строительных конструкций, в том числе отклонений от вертикальности."
Нагрузки и воздействия.
Нагрузки - то что непосредственно оказывают силовые воздействия на элемент конструкции. Воздействия - то что вызывает (опосредованно) в конструкциях внутренние усилия или деформации.
Нагрузки от веса несущих и ограждающих конструкций (статические)
. Атмосферные нагрузки (динамические)
.. снеговая
.. дождевая
.. ветровая (квазистатические и динамические)
.. гололедная
.. температурная (воздействие)
.. ледовая
.. волновая (штормовая)
.. магнитная и электромагнитная
и другие.
. Воздействия смещений земной коры
.. сейсмическая (тектоническая)
.. просадочная (в результате замачивания грунтов)
.. влияние горных выработок
.. влияние карстово-суффозионных процессов
.. Аварийные (особые)
.. пожар (обрушение и тепловое воздействие)
.. столкновение с транспортным средством)
.. взрывное
.. обрушение частей здания
.. Нагрузки от редких природных факторов
.. ураганы
.. смерчи
.. цунами
и др.
Полезные нагрузки (для чего собственно и проектируется здание)
Нагрузки от веса людей (“живая” нагрузка) (квазистатическая)
. нагрузки от мебели и бытового оборудования (квазистатическая)
. Технологические нагрузки (производство)
. Вес и динамические воздействия производственного оборудования.
. Крановые нагрузки
. Нагрузки от внутрицехового транспорта
. Нагрузки от лифтов (и тп.).
. Температурные технологические нагрузки
. Повышенное давление (вакуум)
. Технологические нагрузки на сооружения (мосты, кран, дамбы, плотины, аэродромы и т.д.)
По характеру воздействия нагрузки делятся на
. кратковременные (многократно-повторяющиеся или эпизодические)
. длительные
. постоянные
С точки зрения: вызывают ли нагрузки динамические усилия в конструкциях.
. статические
. квазистатические
. динамические (пульсационные, ударные, периодические и т.)
Расчетное и эксплуатационное значение нагрузки. При проектировании несущих конструкции для разных видов расчетов используют несколько значений одной и той же нагрузки. Как минимум Расчетное значение (повышенное) и нормативное значение (эксплуатационное).
Сочетание нагрузок. Каждая нагрузка для расчета элемента здания может и нагружать этот элемент и разгружать этот элемент. Поэтому в расчете используется определенное сочетание нагрузок, а именно такое, которое максимально нагружает рассчитываемый элемент здания.
Надо понимать, что величина нагрузки (как полезной, так и природной) носить случайный ("волатильный") характер. В нормативной документации определяется максимальная величина нагрузки превышение, которой маловероятно (хотя и возможно) в течении всего срока эксплуатации здания (70-150 лет).
Ввиду этого, для сооружений повышенного уровня ответственности (и, соответственно, большего срока эксплуатации) вводится повышающие коэффициенты, на которые умножаются "базовые" значения нагрузок. (коэффициент надежности по ответственности здания от 1,1 до 1,2).
Подробнее о значении тех или иных видов нагрузок см. список прилагаемой литературы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений".
2. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.
3. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85.
4. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. В.Н.Гордеев, А.И.Лантух-Лященко, В.А. Пашинский, А.В.Перельмутер, С.Ф.Пичугин; под. общей ред. А.В.Перельмутера. 3-е изд., перераб. - М.: Издательство С, 2009г.
В процессе строительства и эксплуатации здание испытывает на себе действие различных нагрузок. Внешние воздействия можно разделить на два вида: силовые и несиловые или воздействия среды.
К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:
постоянные – от собственного веса (массы) элементов здания, давления грунта на его подземные элементы;
временные (длительные) – от веса стационарного оборудования, длительно хранящихся грузов, собственного веса постоянных элементов здания (например, перегородок);
кратковременные – от веса (массы) подвижного оборудования (например, кранов в промышленных зданиях), людей, мебели, снега, от действия ветра;
особые – от сейсмических воздействий, воздействий в результате аварий оборудования и т.п.
К несиловым относятся:
температурные воздействия , вызывающие изменения линейных размеров материалов и конструкций, которое приводит в свою очередь к возникновению силовых воздействий, а также влияющие на тепловой режим помещения;
воздействия атмосферной и грунтовой влаги , а также парообразной влаги, содержащейся в атмосфере и в воздухе помещений, вызывающие изменение свойств материалов из которых выполнены конструкции здания;
движения воздуха вызывающее не только нагрузки (при ветре), но и его проникновение внутрь конструкции и помещений, изменение их влажностного и теплового режима;
воздействие лучистой энергии солнца (солнечная радиация) вызывающие в результате местного нагрева изменение физико-технических свойств поверхностных слоев материала, конструкций, изменение светового и теплового режима помещений;
воздействие агрессивных химических примесей , содержащихся в воздухе, которые в присутствии влаги могут привести к разрушению материала конструкций здания (явлении коррозии);
биологические воздействия , вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящие к разрушению конструкций из органических строительных материалов;
воздействие звуковой энергии (шума) и вибрации от источников внутри или вне здания.
По месту приложения усилий нагрузки разделяются на сосредоточенные (например, вес оборудования) и равно мерно распределенные (собственный вес, снег).
По характеру действия нагрузки могут быть статическими , т.е. постоянными по величине во времени и динамическими (ударными).
По направлению – горизонтальные (ветровой напор) и вертикальные (собственный вес).
Т.о. на здание действует самые различные нагрузки по величине, направлению, характеру действия и месту приложения.
Рис. 2.3. Нагрузки и воздействия на здание.
Может получится такое сочетание нагрузок, при котором все они будут действовать в одном направлении, усиливая друг друга. Именно на такие неблагоприятные сочетания нагрузок рассчитывают конструкции здания. Нормативные значения всех усилий, действующих на здание, приведены в ДБН или СНиПе.
Следует помнить, что воздействия на конструкции начинаются с момента их изготовления, продолжаются при транспортировке, в процессе возведения здания и его эксплуатации.
Требования к зданиям
В соответствии с нагрузками и воздействиями к зданиям и их конструкциям предъявляются определенные требования.
Любое здание должно отвечать следующим основным требованиям :
1. Функциональной целесообразности, т. е. здание должно полностью отвечать тому процессу, для которого оно предназначено (удобство проживания, труда, отдыха и т. д.).
2.Технической целесообразности, т.е.здание должно надежно защищать людей от внешних воздействий (низких или высоких температур, осадков, ветра), быть прочным и устойчивым, т.е. выдерживать различные нагрузки, долговечным, т.е. сохранять нормальные эксплуатационные качества во времени.
3. Архитектурно-художественной выразительности , т. е. здание должно быть привлекательным по своему внешнему (экстерьеру) и внутреннему (интерьеру) виду, благоприятно воздействовать на психологическое состояние и сознание людей.
Для достижения необходимых архитектурно-художественных качеств используются такие средства, как композиция, масштабность, пропорции, симметрия, ритм и др .
4. Экономической целесообразности , предусматривающей наиболее оптимальные для данного вида здания затраты труда, средств и времени на его возведение. При этом необходимо также наряду с единовременными затратами на строительство учитывать и расходы, связанные с эксплуатацией здания.
Снижение стоимости здания может быть достигнуто рациональной планировкой здания и недопущением излишеств при установлении площадей и объемов помещений, а также внутренней и наружной отделке; выбором наиболее оптимальных конструкций с учетом вида зданий и условий его эксплуатации; применением современных методов и приемов производства строительных работ с учетом достижений строительной науки и техники.
При разработке технического решения проводится техникоэкономическое сравнение вариантов проектируемых конструкций с учетом стоимости возведения и эксплуатации здания.
5. Экологические требования.
требования сокращения территорий , отводимых под застройку. Это достигается повышением этажности, активным освоением подземного пространства (гаражи, склады, тоннели, торговые предприятия и т.п.);
широкое применение эксплуатируемых крыш , эффективное использование неудачных участков территорий (крутой рельеф, выемки и насыпи вдоль железнодорожных магистралей);
экономия природных ресурсов и энергии . Эти требования непосредственно влияют на выбор формы здания (предпочтение компактным сооружениям обтекаемой формы), выбор конструкций наружных стен и окон, выбор ориентации здания в застройке.
Экологические требования сказываются на решении благоустройства застраиваемой территории с увеличением озеленения их территории в том числе вертикального и заменой асфальтобетонных покрытий штучными (брусчаткой, каменными и бетонными плитами). Эти мероприятия способствуют сохранению водного баланса и чистоте воздушной среды территории.
По окончании строительных работ на площадке должна проводиться рекультивация грунтов в целях уменьшения ущерба, наносимого природной среде строительной деятельностью.
Безусловно, комплекс этих требований нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Обычно при проектировании здания принимаемые решения являются результатом согласованности с учетом всех требований, обеспечивающих его научную обоснованность.
Главным из перечисленных требований является функциональная, или технологическая, целесообразность .
Помещение – основной структурный элемент или часть здания. Соответствие помещения той или другой функции достигается только тогда, когда в нем создаются оптимальные условия для человека, т.е. среда, отвечающая выполняемой им в помещении функции.
Внутренне пространство зданий разделяется на отдельные помещения. Помещения подразделяются на:
основные; вспомогательные; технические.
Помещения, размещенные в одном уровне, образуют этаж. Этажи разделяются перекрытиями.
Внутреннее пространство зданий чаще всего расчленено
по вертикали -на этажи и в плане - на отдельные помещения.
Помещения здания должны наиболее полно соответствовать тем процессам, на которые данное помещение рассчитано; следовательно, основным в здании или его отдельных помещениях является его функциональное назначение.
При этом, необходимо различать главные и подсобные функции. Так, например, в здании образовательныхучреждений главной функцией являются учебные занятия, поэтому оно в основном состоит из учебных помещений (аудитории, лаборатории и т. п.). Наряду с этим, в здании осуществляются и подсобные функции: питание, общественные мероприятия, и т. п. Для них предусматриваются специальные помещения: столовые и буфеты, актовые залы, административные помещения и др.
Все помещения в здании, отвечающие главным и подсобным функциям , связываются между собой помещениями, основное назначение которых - обеспечение движения людей. Эти помещения принято называть коммуникационными. К ним относятся коридоры, лестницы, вестибюли, фойе, кулуары и т. п.
Таким образом, помещение должно обязательно отвечать той или иной функции. При этом, в нем должны быть созданы наиболее оптимальные условия для человека, т. е. среда, отвечающая выполняемой им в помещении функции.
Качество среды зависит от ряда факторов. К ним можно отнести:
1. пространство , необходимое для деятельности человека, размещения оборудования и перемещения людей;
2. состояние воздушной среды (микроклимат) – запас воздуха для дыхания с оптимальными параметрами температуры, влажности и скорости его движения, соответствующими нормальному для осуществления данной функции тепло- и влагообмену человеческого организма. Состояние воздушной среды характеризуется также степенью чистоты воздуха, т. е. количеством содержания вредных для человека примесей (газов, пыли);
3. звуковой режим – условия слышимости в помещении (речи, музыки, сигналов), соответствующие его функциональному назначению, и защита от мешающих звуков (шума), возникающих как в самом помещении, так и проникающих извне, и оказывающих вредное влияние на организм и психику человека. Со звуковым режимом связана акустика – наука о звуке; архитектурная акустика – наука о распространении звука в помещении; и строительная акустика – наука, изучающая механизм прохождения звука через конструкции;
4. световой режим – условия работы органов зрения,естественное и искусственное освещение, соответствующие функциональному назначению помещения, определяемые степенью освещенности помещения. Со световым режимом тесно связаны проблемы цвета; цветовые характеристики среды оказывают влияние не только на органы зрения, но и на нервную систему человека;
5. инсоляция – условия прямого влияния солнечного освещения. Санитарно-гигиеническое значение непосредственного солнечного облучения исключительно велико. Солнечные лучи убивают большинство болезнетворных бактерий, оказывают общеоздоровительное и психофизическое воздействие на человека. Эффективность влияния солнечного освещения на здания и окружающую территорию определяется продолжительностью их прямого облучения, т.е. которая в городской застройке регламентируется Санитарными нормами (СН).
6. видимость и зрительное восприятие – условия для работы людей, связанные с необходимостью видеть плоские или объемные объекты в помещении, например в аудитории - записи на доске или демонстрацию действия прибора; условия видимости тесно связаны со световым режимом.
7. движение людских потоков , которое может быть комфортным или
вынужденным, в условиях срочной эвакуации людей из зданий.
Следовательно, для того чтобы правильно запроектировать помещение, создать в нем оптимальную среду для человека, необходимо учесть все требования, определяющие качество среды.
Эти требования для каждого вида зданий и его помещений устанавливаются Строительными нормами и правилами (СНиП) - основным государственным документом, регламентирующим проектирование и строительство зданий и сооружений в нашей стране.
Лекция 2
Техническая целесообразность здания определяется решением его конструкций, которые должны находиться в полном соответствии с законами механики, физики и химии. Для того чтобы правильно запроектировать несущие и ограждающие конструкции зданий, необходимо знать, каким силовым и несиловым воздействиям они подвергаются.
Нагрузки и воздействия на здания.
Конструкции зданий должны учитывать все внешние воздействия, воспринимаемые зданием в целом и его отдельными элементами. Эти воздействия подразделяют на силовые и несиловые (воздействие среды)
Назначение конструкций - восприятие силовых и несиловых воздействий на здание
Внешние воздействия на здание.
1 – постоянные и временные вертикальные силовые воздействия; 2 – ветер; 3 – особые силовые воздействия (сейсмические или др.); 4 – вибрации; 5 – боковое давление грунта; 6 – давление грунта (отпор); 7 – грунтовая влага; 8 – шум; 9 – солнечная радиация; 10 – атмосферные осадки; 11 – состояние атмосферы (переменная температура и влажность, наличие химических примесей)
К силовым воздействиям относятся различные виды нагрузок:
- постоянные - от собственной массы здания, от давления грунта основания на его подземные элементы;
-временные длительного действия – от массы стационарного технологического оборудования, длительно хранящихся грузов, собственной массы перегородок, которые могут перемещаться при реконструкции;
-кратковременные - от массы подвижного оборудования, людей, мебели, снега, от действия ветра на здание;
-особые - от сейсмического воздействия, просадочности лессового или протаявшего мерзлого грунтового основания здания,воздействия деформаций земной поверхности в районах влияния горных выработок, взрывов, пожаров и т.п.
-воздействия, возникающие при чрезвычайных ситуациях - взрывы, пожары и пр.
К несиловым воздействиям относят:
- температурные воздействия пременных температур наружного воздуха, вызывающих линейные (температурные) деформации - изменения размеров наружных конструкций здания или температурные усилия в них при стесненности проявления температурных деформаций вследствие жесткого закрепления конструкций;
- воздействия атмосферной и грунтовой влаги, на материал конструкций, приводящие к изменениям физических параметров, а иногда и структуры материалов вследствие их атмосферной коррозии, а также воздействие парообразной влаги воздуха помещений на материал наружных ограждений, при фазовых переходах влаги в их толще;
-движения воздуха , вызывающие его проникновение внутрь конструкции и помещения, изменяющее их влажностный и тепловой режим;
-воздействие прямой солнечной радиации, влияющей на световой и температурный режим помещений и вызывающей изменение физико-технических свойств поверхностных слоев конструкций (старение пластмасс, плавление битумных материалов и т.п.).
-воздействие агрессивных химических примесей , содержащихся в воздухе, которые в смеси с дождевой или грунтовой водой образуют кислоты, разрушающие материалы (коррозия);
-биологические воздействия , вызываемые микроорганизмами или насекомыми, приводящими к разрушению конструкций и к ухудшению внутренней среды помещений;
-воздействие звуковой энергии (шума) от источников внутри и вне здания, нарушающий нормальный акустический режим в помещении
В соответствии с нагрузками и воздействиями предъявляют и технические требования :
1 Прочность - способность воспринимать силовые нагрузки и воздействия без разрушения.
2. Устойчивость - способность конструкции сохранять равновесие при силовых нагрузках и воздействиях.
3. Жесткость - способность конструкции осуществлять свои статические функции с малыми заранее заданными величинами деформации.
4. Долговечность - предельный срок сохранения физических качеств конструкции здания в процессе эксплуатации.Долговечность конструкции зависит от:
ползучести - процесса малых непрерывных деформаций материала конструкции при длительном загружении;
морозостойкости - сохранения влажными материалами необходимой прочности при многократном чередовании замораживания и оттаивания.
влагостойкости - способности материалов противостоять воздействию влаги без существенного снижения прочности следственного расслоения, возбуждения, коробления и растрескивания.
коррозионостойкости - способности материалов сопротивляться разрушению, вызываемому химическими, физическими или электрохимическими процессами.
биостойкости - способности органических материалов противостоять разрушающим воздействиям микроаргонизмов и насекомых.
В ходе проектирования нужно учесть всё, чему здание должно сопротивляться, дабы не терять своих эксплуатационных и прочностных качеств. Нагрузками принято считать внешние механические силы, действующие на здание, а воздействиями - внутренние явления. Для уяснения вопроса проклассифицируем все нагрузки и воздействия по следующим признакам.
По продолжительности действия:
- постоянные - собственная масса конструкции, масса и давление грунта в насыпях или засыпках;
- длительные - масса оборудования, перегородок, мебели, людей, снеговая нагрузка, сюда же относятся воздействия, обусловленные усадкой и ползучестью строительных материалов;
- кратковременные - температурные, ветровые и гололёдные климатические воздействия, а также связанные с изменением влажности, солнечной радиацией;
- особые - нормируемые нагрузки и воздействия (например, сейсмические, при воздействии пожара и пр.).
Среди проектировщиков существует также термин полезная нагрузка, значение которого в нормативных документах не закреплено, но термин бытует в практике строительства. Под полезной нагрузкой подразумевается сумма некоторых временных нагрузок, которые всегда присутствуют в здании: люди, мебель, оборудование. Например, для жилого дома она составляет 150...200 кг/м 2 (1,5...2 мПа), а для офисного - 300...600 кг/м 2 (3...6 мПа).
По характеру работы:
- статические - собственная масса конструкции, снеговой покров, оборудование;
- динамические - вибрация, порыв ветра.
По месту приложения усилий:
- сосредоточенные - оборудование, мебель;
- равномерно распределённые - масса конструкции, снеговой покров.
По природе воздействия:
- нагрузки силового характера (механические) - это нагрузки, которые вызывают реактивные силы; к этим нагрузкам относятся все выше приведённые примеры;
- воздействия несилового характера:
- перемены температур наружного воздуха, что вызывает линейные температурные деформации конструкций здания;
- потоки парообразной влаги из помещений - влияют на материал наружных ограждений;
- атмосферная и грунтовая влага, химически агрессивное воздействие окружающей среды;
- солнечная радиация;
- электромагнитное излучение, шум и т.п., влияющие на здоровье человека.
Все нагрузки силового характера закладываются в инженерные расчёты. Влияние воздействий несилового характера также обязательно учитывается при проектировании. Посмотрим, например, как температурное воздействие влияет на конструкцию. Дело в том, что под влиянием температуры конструкция стремится сжаться или расшириться, т.е. измениться в размерах. Этому препятствуют другие конструкции, с которыми данная конструкция связана. Следовательно, в тех местах, где конструкции взаимодействуют, возникают реактивные силы, которые нужно воспринять. Также в протяжённых зданиях необходимо предусмотреть зазоры.
Расчётам подвергаются и другие воздействия: расчёт на паропроницание, теплотехнический расчёт и т.д.